“我们已经从新疆盐碱地中采集的微生物里，筛选能依靠亚磷酸盐提供的碳和甲酰胺提供的氮‘生长’的微生物。最近，我们正在尝试如何用这些微生物与农业用芽孢杆菌更好地结合，希望能帮助这些芽孢杆菌进行非灭菌发酵，降低发酵成本，高效开发微生物菌剂。”8月13日，南京工业大学（以下简称南工大）食品与轻工学院副教授刘伟打开实验室一个冷藏柜的柜门，向记者展示出一个微生物的世界。
只见几层柜架上，摆满了培养皿。里面的微生物虽然身份各异，但都有一个共同的使命，就是将它们在盐碱地里生存的基因贡献出来，为人类的盐碱地治理“开药方”。
作为我国盐渍化土壤面积最大的分布区，新疆，成为科学家们研究微生物的天堂。在高盐、高碱等极端生态环境下孵育的微生物，往往含有新颖的代谢产物，这让新疆成为一个天然的生物活性物质筛选宝库。
十多年来，刘伟所在的南工大食品与轻工学院江凌教授课题组，建立了国内最大的来源于新疆辐射、盐碱等极端生境的农业微生物种质资源库，挖掘出一批功能性菌株，制备了系列复合微生物菌剂，并在新疆地区示范应用。
前不久，该课题组作为主要完成单位主持的“新疆极端农业微生物种质资源保育及农用地土壤修复示范化应用”项目，获颁2023年度全国商业联合会科技进步奖特等奖。
科研团队在新疆盐碱地采集植物根系土壤样本。刘伟供图
十余年三百次科考，建立国内最大极端生境农业微生物种质资源库
“自然界中存在着诸多极端环境，如辐射、盐碱等，一些具有特殊基因类型的极端微生物在这些地区中繁衍生息，为人类提供了独特的生物资源。”江凌介绍，目前国际上对极端微生物抗逆机制尚不明确和完善，而国内对极端微生物资源研究起步较晚，极端微生物重要潜在的功能和应用有待挖掘。
新疆盐碱地分布范围广、面积大，占全国盐碱地总面积22%，是潜在的耕地战略储备资源。“极端微生物因其强大的氧化还原能力，以及新颖的代谢产物，使其成为盐碱及重金属土壤修复的最理想微生物之一。”江凌说。
为了“唤醒”盐碱地沉睡的微生物资源，从2012年起的十余年间，南工大、南京师范大学、新疆农业科学院微生物应用研究所等机构科研人员组建的联合研究团队，上百次进行野外科考，在新疆辐射污染区、阿克苏盐山、罗布泊盐湖、冰川一号、艾丁湖等特殊环境中，采集了土壤样本500余份。
针对这些样本，团队又先后设计了50余种各类贫营养和压力平板分离培养基，并结合复合碳源高通量培养方法与高通量测序技术，先后筛选获得来源于辐射、盐碱环境的各类微生物。
“经过系统筛选，我们最终建立了国内最大的来源于新疆辐射、盐碱等极端生境的农业微生物种质资源库（以下简称种质资源库），收录了在极端环境中生长的5297株微生物菌株，并从中发现了乌鲁木齐异常球菌等14个微生物新种。”江凌说。
团队成员在新疆排盐渠采集土壤样品。刘伟供图
对症下药，筛选出57株土壤修复能力强的功能菌株
极端微生物因其特殊的生理机制、遗传物质以及活性产物，成为土壤生物修复及植物促生的理想微生物之一。
课题组成员、南工大教授朱丽英介绍，从新疆盐碱地中筛选那些耐受高盐环境，并能促进作物生长的微生物，成为团队的下一个目标。
“微生物菌种资源的有效利用建立在对菌株生物遗传信息充分解析的基础上。”江凌表示，研究团队通过稀释培养法和液滴微流控快速分选技术，筛选出土壤修复能力强的功能菌株，并发掘出海藻糖等具有植物促生潜力的抗逆活性物质。
“我们把微生物放到盐浓度较高，或者重金属含量较高的培养基中，看微生物是否能存活。此外，我们也会重点关注微生物是否能分解磷酸盐或者钾盐，这意味着它们是否能提高土壤肥力、促进农作物生长。”刘伟解释，通过筛选，它们从种质资源库筛选出白蚁菌IS7、芽孢杆菌HM-311等57株菌株。
“这57株菌株中，86%的菌株中可以在氯化钠含量达10%的溶剂中生存，50%的菌株具有分解无机磷的能力。其中，白蚁菌IS7抗逆性能强，不仅在氯化钠含量达10%的培养基上生长良好，同时具有解磷、解钾、固氮等特性；而芽孢杆菌HM-311对重金属吸附去除率达90%以上。”刘伟说。
开辟新途径，开发微生物高效制备技术
要想将发现的功能菌用于土壤改良，需要将其大规模制备，然而，菌株在大规模发酵过程中面临发酵原料消耗和灭菌过程中能源消耗成本高的问题。
“以往制备菌株活性物质时，需要抑制杂质产生，灭除不相干的菌，所以需要在高温高压的发酵罐中进行，能耗较高。”刘伟表示。
团队在一年的摸索后，渐渐掌握了一种非灭菌高密度发酵过程放大技术。
“我们将发酵培养基中的磷源替换为亚磷酸盐，氮源部分替换为尿素和甲酰胺后，发现培养基中并没有滋生其他菌落，而亚磷酸盐，尿素、甲酰胺又分别可以为我们筛选获得的功能菌株提供丰富的磷和氮。这意味着，将这两种物质用于定向培养功能菌株，可以提高培养的纯度和效率，也能降低发酵成本。”刘伟介绍，它们随后通过人工神经网络和遗传算法结合的智能模型，对发酵培养基成分进行了优化，以菌株的生物量和发酵体系中菌群结构为评价指标，确定了最优发酵培养基组分，实现了功能菌株芽孢杆菌的非灭菌发酵，原料成本下降了30%，能源消耗成本下降了35%。
江凌补充道，团队同时建立了抗逆活性物质海藻糖的一步酶法催化工艺，解决了微生物及活性产物工程化集成水平低的问题，实现了功能菌株及抗逆活性物质海藻糖的高效制备。
“以芽孢杆菌的制备为例，采用这套技术体系后，芽孢杆菌单批次发酵周期从5天缩短为4天，1毫升菌株拥有8×1010个有效活菌数；500升发酵罐系统实现了多批次循环催化，创海藻糖合酶催化转化率国内外最高值，得率达90%以上。”江凌说。
开发复合微生物菌剂，盐碱土壤修复示范成效初现
“科研成果只有走出实验室，在厂房车间、田间地头开花结果，才能真正地发挥作用。”江凌表示，极端生境农作物种植是个系统工程，考虑到微生物菌剂的应用过程中还受温度、酸碱度等环境条件影响，团队还制备了基于功能菌、海藻糖、生物炭三联复合微生物菌剂。
“功能菌能修复污染土壤、增强土壤肥力、促进植物生长；海藻糖可提高菌株存活性和植物耐盐抗逆性；生物炭增强保水能力，提高土壤肥力，并可固定土壤中的重金属。”团队成员、南工大副教授朱政明介绍，针对微生物在重金属、盐碱环境中的活性低、应用时功能不稳定等问题，团队开发了多元复合材料凝胶固定化细胞技术。
“将三联复合微生物菌剂应用于重金属污染的土壤盆栽玉米中，我们发现菌剂固化了土壤中的重金属离子，玉米芽与根对铅离子的富集量分别下降了40.86%和51.34%，玉米植株长度与干重分别提高了23.6%和73.3%。”刘伟说。
我国新疆地区盐碱土地分布广，农业种植难。针对这一问题，研发团队还与新疆天物生态环保股份有限公司开展联合技术攻关，开发了系列的复合微生物菌剂，取得了3项肥料登记证，并在新疆石河子、阿克苏等地区的盐碱地进行了盐碱土壤修复示范工程，施灌于棉花、沙棘、甘草等农作物。
江凌介绍，通过3—5年的推广应用，碱解氮、速效磷、速效钾、有机质等土壤肥力指标达到分别提高了26.3%、24.7%、40.2%、37.8%；同时，盐渍化土壤农作物的生长与存活率得到有效提升，其中，棉花、沙棘、甘草等作物存活率分别从57%、55%、60%提升至96%以上，亩产分别提升了21.5%、26.4%、18.3%。
“未来，我们也希望能筛选出更多耐盐、吸附土壤重金属的微生物，用于改良江苏等沿海区域的盐碱地，以提高土壤肥力、植物产量。”江凌说。
